ES2298014A1 - Metodo y sistema para la proteccion de una instalacion de generacion electrica conectada a una red electrica ante la presencia de huecos de tension en dicha red. - Google Patents
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Abstract
¿Método y sistema para la protección de una instalación de generación eléctrica conectada a una red eléctrica ante la presencia de huecos de tensión en dicha red¿. Método y sistema para la protección de una instalación de generación eléctrica, de las que comprenden un generador eólico conectado a una red eléctrica, ante la presencia de huecos de tensión en la red, comprendiendo el generador eólico un generador asíncrono de doble alimentación formado por dos devanados, un devanado en el rotor y un devanado en el estator, de los cuales, el devanado del rotor está conectado a un circuito de rectificación y conversión. La corriente generada en el rotor del generador asíncrono, es obligada a pasar por una impedancia conectada en serie con el rotor, la cual está adaptada para limitar las sobrecorrientes y sobretensiones en bornes del circuito de rectificación y conversión.
Description
Método y sistema para la protección de una
instalación de generación eléctrica conectada a una red eléctrica
ante la presencia de huecos de tensión en dicha red.
La invención se refiere a un método para la
protección de una instalación eléctrica, particularmente de las que
comprenden un generador eólico, del tipo asíncrono doblemente
alimentado, conectado a una red eléctrica cuando se produce un
hueco de tensión en dicha red.
Actualmente la energía eólica está en auge y es
considerada, entre las energías renovables, como la que mayor
probabilidad tiene de llegar a ser una alternativa real a las
fuentes de energía convencionales y más contaminantes como aquellas
derivadas de los combustibles fósiles como el petróleo, el gas o el
carbón.
Este desarrollo, sin embargo, se ve frenado por
los problemas de integración que aparecen cuando aumenta el número
de parques eólicos, y en consecuencia el número de aerogeneradores,
conectados a la red eléctrica. Uno de los problemas más importantes
está relacionado con el comportamiento de los aerogeneradores
frente a huecos de tensión en la red. Con el objeto de evitar estos
problemas en la mayor parte de países con gran desarrollo eólico se
está regulando el comportamiento de los aerogeneradores frente a los
huecos de tensión.
Con la aparición de las máquinas de velocidad
variable se ha conseguido que las máquinas sufran mecánicamente
menos frente a ráfagas de viento, que la electricidad generada
tenga menos fluctuaciones y que el aprovechamiento energético del
viento sea mayor. Estas ventajas han conducido a que desde hace años
la mayor parte de las máquinas instaladas sean de este tipo.
En las principales estrategias utilizadas para
obtener velocidad variable, en función del generador eléctrico
utilizado, interviene un generador síncrono o un generador
asíncrono. El primer tipo de generador tiene el inconveniente de que
toda la energía generada, previamente a su suministro a la red
eléctrica, debe ser convertida mediante dos convertidores
electrónicos. Estos convertidores deben, por tanto, ser
dimensionados para toda la potencia del aerogenerador, resultando
caros y voluminosos. Sus pérdidas de energía, además, ocasionan la
disminución del rendimiento total del aerogenerador.
De los generadores asíncronos el más utilizado
es el generador asíncrono de doble alimentación, en el que el
estator se conecta directamente a la red mientras que el rotor se
conecta a la red a través de un convertidor que permite controlar
tanto la energía activa como la reactiva del generador eléctrico. En
este caso, la potencia que pasa por el rotor es sólo una pequeña
fracción de la del estator por lo que los convertidores son menores
en coste y tamaño, y generan menos pérdidas.
Sin embargo, la solución basada en el generador
asíncrono de doble alimentación es muy sensible a las faltas que
pueden darse en la red eléctrica. El convertidor de potencia
conectado al rotor es una parte muy vulnerable del sistema. Es
decir, cuando ocurre una falta en la red, conocida como hueco de
tensión, y la tensión de una o varias líneas cae, la corriente que
aparece en dicho convertidor puede alcanzar valores muy altos hasta
llegar a destruirlo.
Hasta hace poco la solución habitual consistía
en desactivar el convertidor y conectar el sistema denominado y
conocido como "crowbar" cuando se detectaba que la corriente
del convertidor era demasiado elevada. El crowbar consiste en un
banco de resistencias de muy bajo valor (incluso cortocircuito) que
se conectan en paralelo con el rotor. En situación normal el
crowbar está desconectado, por lo que no afecta al funcionamiento
normal de la máquina. En caso de producirse un hueco de tensión, el
crowbar se conecta durante un intervalo de entre 100 y 200 mseg,
tiempo suficiente para que se reduzca en gran medida el fuerte
transitorio que sufre el estado magnético de la máquina. Con esta
maniobra el convertidor quedaba completamente protegido pero se
pierde el control de la
máquina.
máquina.
Las resistencias que forman el crowbar se deben
escoger de un valor pequeño, para reducir la tensión aplicada al
convertidor. Sin embargo, esto provoca que la corriente que circula
por ellas sea muy elevada, llegándose a los 3.000 A.
Además, la corriente del crowbar provoca que la
máquina genere en el par un pico que supera en dos a cuatro veces
al valor nominal. Normalmente el sistema mecánico no está preparado
para sufrir un golpe de par tan intenso y puede romperse. Para
evitarlo se debe añadir en el árbol mecánico una junta elástica que
amortigüe dicho golpe.
Por otro lado, al comprenderse el crowbar de
resistencias pequeñas, el tiempo de desmagnetización o reducción de
la sobrecorriente es muy elevado, y por otro lado, si el generador
sigue conectado a la red eléctrica se tienen sobrecorrientes en la
máquina. Para evitar estas sobrecorrientes los sistemas que
comprenden un crowbar desconectan el generador de la red y no lo
vuelven a conectar hasta que la tensión vuelve alcanzar su valor
nominal.
De este modo, la técnica anteriormente descrita
protege al convertidor pero sigue sin cumplir el requisito
demandado actualmente por los responsables de la red eléctrica que
es el de seguir funcionando en caso de huecos de tensión.
Con el fin de evitar desconectar de la red el
generador durante los huecos de tensión se presentan a continuación
algunas alternativas.
En el documento de patente JP7067393 se describe
un dispositivo de protección de la sobretensión de un sistema de
generación de energía de velocidad variable. Este dispositivo
comprende una resistencia junto a un circuito "chopper" en el
bus de continua. De hecho, lo que se propone en este documento es,
en caso de producirse anomalías en la tensión de red, desactivar el
convertidor y conectar la resistencia junto al circuito chopper, en
paralelo con el rotor utilizando los diodos del inversor. El
chopper se controla de forma a mantener la tensión del bus DC
constante protegiendo de esta forma el convertidor. Sin embargo, con
esta técnica se siguen originando grandes corrientes durante los
primeros instantes del hueco con el consiguiente golpe de par. Por
otro lado, al utilizarse los diodos del inversor surge otro
inconveniente de esta alternativa, ya que hay que sobredimensionar
los citados diodos para que aguanten las sobrecorrientes durante
los huecos de tensión. Además, si surgen huecos no trifásicos se
producen fuertes sobretensiones en el rotor que provocan que el
circuito chopper con la resistencia se conecten y desconecten
continuamente durante todo el tiempo que dure el hueco de tensión.
El dispositivo descrito incluye también un crowbar en paralelo con
el rotor por razones de seguridad.
Otra alternativa al crowbar se describe en el
documento de patente EP1499009, donde se prevé una unidad de
retención, formada por resistencias variables con la tensión, para
limitar la sobretensión que se produce en el rotor en situaciones
de huecos de tensión. La unidad de retención está conectada en
paralelo al circuito rotórico del aerogenerador y está destinada a
absorber las corrientes producidas por los huecos de tensión en un
periodo pequeño de tiempo, dejando pasar luego la corriente a
través del convertidor rotórico. Aunque este sistema plantea una
alternativa al crowbar, requiere un tiempo para desmagnetizar la
máquina durante el cual se desactiva el convertidor rotórico. De
hecho, esta configuración es similar a la del documento de patente
anteriormente descrito con la diferencia de que no utiliza el
puente de diodos del inversor, por lo que padece de los mismos
inconvenientes.
En el documento de patente WO2004/030199 se
describe un equipo de desmagnetización y la conexión de un
interruptor electrónico entre el estator y la red. El equipo de
desmagnetización está conectado en paralelo bien con el estator
bien con el rotor. Este equipo de desmagnetización se basa en una
resistencia variable que, en caso de detectar una variación brusca
en la tensión de red, se conecta en paralelo al estator al mismo
tiempo que se desconecta éste de la red eléctrica. Una vez se han
igualado las tensiones de la red y de la máquina se vuelve a
conectar el generador a la red y se desconecta la resistencia
variable que hace de elemento desmagnetizante. De un modo similar a
la primera solución descrita (crowbar), este sistema exige la
desconexión del generador durante los cambios de tensión y provoca
la sucesiva conexión y desconexión del elemento desmagnetizante
ante la existencia de huecos monofásicos y bifásicos.
Los anteriores inconvenientes son el motivo por
los que la instalación del crowbar y las otras alternativas
explicadas resulten insuficientes para solventar las necesidades
actuales.
El método para la protección de una instalación
de generación eléctrica según la invención es particularmente
aplicable a las instalaciones provistas de al menos un generador
eólico conectado a una red eléctrica, de los que comprenden un
generador asíncrono de doble alimentación formado por dos devanados,
un devanado en el rotor y un devanado en el estator, de los que el
devanado del rotor está conectado a un circuito de rectificación y
conversión, en el que la corriente alterna generada en el rotor del
generador, previamente a su suministro a la citada red, se
convierte primero en corriente continua y se invierte a continuación
para obtener una forma sinusoidal con la frecuencia de la red
eléctrica.
En esencia, el método según la invención se
caracteriza porque la corriente generada en el rotor del generador
asíncrono es obligada a pasar, previamente a su paso por el
circuito de rectificación y conversión, por una impedancia conectada
en serie con el rotor, la cual está adaptada para limitar las
sobrecorrientes y sobretensiones en bornes del circuito de
rectificación y conversión.
De acuerdo con estas características, el
generador eólico no es desconectado de la red en ningún momento,
permitiéndose que se absorba la sobreintensidad y/o sobretensión
generada en el circuito rotórico en la nueva impedancia conectada en
serie sin que el circuito de rectificación y conversión se vea
afectado.
Conforme a una variante de la invención, la
impedancia en serie está constituida por una inductancia
permanentemente conectada al rotor del generador, por lo que la
corriente es obligada a pasar por la citada inductancia tanto en
condiciones normales como al producirse un hueco de tensión de la
red eléctrica.
Según otra característica de la invención, el
método comprende además el paso de conectar en paralelo, en caso de
producirse un hueco de tensión, en el bus de continua CC del
convertidor y/o con el lado CA del rotor, unos elementos de
disipación de energía adaptados para la evacuación de la energía
magnética generada durante los primeros instantes del hueco de
tensión.
De acuerdo con otra variante de la invención, la
impedancia en serie es conectada al rotor del generador cuando se
produce un hueco de tensión, en tanto que es cortocircuitada en
condiciones normales.
De acuerdo con otra variante de la invención, el
circuito de rectificación y conversión comprendido por un
convertidor, en caso de producirse un hueco de tensión, impone una
nueva corriente de consigna que es el resultado de añadirle a la
corriente de consigna un nuevo término, denominado corriente
desmagnetizante, el cual genera un flujo en el devanado del rotor
opuesto al flujo libre, siendo el flujo libre aquel que no está
provocado por la componente directa de la tensión del estator,
reduciéndose por consiguiente la tensión en bornes del
convertidor.
Según otra característica de la invención, la
corriente desmagnetizante es proporcional al valor del flujo libre
\psi_{sl}, del estator del generador, estimado como la
diferencia entre el valor del flujo magnético en el estator del
generador \psi_{s} y el valor del flujo del estator asociado a
la componente directa de la tensión del estator, denominado flujo
forzado
\psi_{sf}.
\psi_{sf}.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, se
da a conocer un sistema para la protección de una instalación de
generación eléctrica de las que comprenden al menos un generador
eólico conectado a una red eléctrica que comprende a su vez un
generador asíncrono de doble alimentación con dos devanados, uno en
el rotor y otro en el estator, de los que el del rotor está
conectado a un circuito de rectificación y conversión, conectado a
su vez a la red eléctrica.
En esencia, el sistema se caracteriza porque el
sistema comprende una impedancia conectable en serie entre el
devanado del rotor del generador asíncrono y el citado circuito de
rectificación y conversión, adaptada para limitar las
sobrecorrientes y sobretensiones en bornes del circuito de
rectificación y conversión ante la presencia de un hueco de tensión
en la red.
Según una variante de la invención, la
impedancia en serie está constituida por una inductancia la cual
está permanentemente conectada entre el devanado del rotor del
generador y el circuito de rectificación y conversión.
Conforme a otra característica de la invención,
el sistema comprende además unos elementos de disipación de energía,
conectables en paralelo en caso de producirse un hueco de tensión,
con el bus CC del convertidor y/o con el lado CA del rotor.
De acuerdo con otra variante de la invención, la
impedancia en serie comprende una resistencia y unos medios de
cortocircuito, adaptados para cortocircuitar dicha resistencia en
condiciones normales y para conectarla en caso de producirse un
hueco de tensión en la red.
Conforme a otra característica de la invención,
los medios de cortocircuito comprenden un reté o un interruptor
controlado.
Según otra característica de la invención, el
sistema comprende un convertidor que, gobernado por una unidad de
control, impone una corriente rotórica predeterminada denominada
corriente de consigna, y porque la unidad de control comprende un
módulo auxiliar que incorpora una primera unidad para la estimación
del valor del flujo del estator; una segunda unidad para la
estimación del flujo del estator asociado a la componente directa de
la tensión del estator, denominado flujo forzado, en caso de
producirse un hueco de tensión en la red; una tercera unidad, que
calcula la diferencia entre los valores del flujo del estator y del
flujo forzado previamente estimados; una cuarta unidad,
multiplicadora, que multiplica el valor de la diferencia antes
calculada por un factor K2 para la obtención de la corriente
desmagnetizante; y una quinta unidad, para la suma del valor de la
corriente de consigna y del valor de la corriente desmagnetizante
previamente calculado.
Conforme a otra característica de la invención,
el factor K2 es menor que 1.
En los dibujos adjuntos se ilustra,
esquemáticamente, una instalación de generación eléctrica así como
diferentes variantes de un sistema según la invención. En dichos
dibujos:
La Fig. 1, es una representación esquemática de
una instalación de generación eléctrica convencional;
La Fig. 2, es una representación esquemática de
la instalación de la Fig. 1 que incorpora un sistema de protección
conocido;
La Fig. 3, es una representación esquemática de
la instalación de la Fig. 1 que incorpora un sistema de protección
según la invención;
La Fig. 4, es un diagrama de bloques de una
variante del método según la invención; y
Las Fig. 5a y 5b son sendas representaciones
esquemáticas de dos variantes del sistema para la protección según
la invención.
Las Fig. 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f y 6g son
respectivos gráficos de la evolución de las principales variables
eléctricas que se dan en el generador eólico del ejemplo dado según
el estado actual de la técnica en caso de un hueco de tensión
trifásico;
Las Fig. 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f y 7g son
respectivos gráficos de la evolución de las principales variables
eléctricas que se dan en el generador eólico del ejemplo dado según
el estado actual de la técnica en caso de un hueco de tensión
bifásico;
Las Fig. 8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f y 8g son
respectivos gráficos de la evolución de las principales variables
eléctricas que se dan en el generador eólico del ejemplo dado según
la invención en caso de un hueco de tensión trifásico; y
Las Fig. 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f y 9g son
respectivos gráficos de la evolución de las principales variables
eléctricas que se dan en el generador eólico del ejemplo dado según
la invención en caso de un hueco de tensión bifásico.
El método para la protección de una instalación
de generación eléctrica que como ejemplo de realización se explica
a continuación está aplicado a una instalación que comprende un
generador 1 eólico conectado a una red 8 eléctrica que comprende un
generador asíncrono 11 de doble alimentación formado por dos
devanados, un devanado en el rotor 13 y un devanado en el estator
12, de los que el devanado del rotor 13 está conectado a un circuito
2 de rectificación y conversión, todo ello tal y como indica la
Fig. 1.
En el circuito 2 de rectificación y conversión
es donde la corriente alterna generada en el rotor del generador 1,
previamente a su suministro a la red 8 eléctrica, se convierte
primero en corriente continua y se invierte a continuación para
obtener una forma sinusoidal con la frecuencia de la citada red 8
eléctrica, típicamente 50 Hz.
En la Fig. 2 se ha representado esquemáticamente
un sistema de protección convencional, que se conoce como crowbar
9, destinado a cortocircuitar el circuito rotórico del generador 1
eólico al producirse un hueco de tensión en la red 8. De acuerdo a
esta solución, durante los períodos de tiempo en los que el crowbar
9 queda conectado en paralelo al circuito rotórico, el generador 1
queda desconectado de la citada red 8.
El método para la protección de instalaciones de
generación eléctrica según la invención se caracteriza porque al
producirse un hueco de tensión en la red 8, la corriente generada
en el rotor del generador asíncrono 11 es obligada a pasar,
previamente a su paso por el circuito 2 de rectificación y
conversión, por una impedancia 3 conectada en serie con el rotor tal
y como se representa en la Fig. 3. Dicha impedancia 3 está adaptada
para limitar las sobrecorrientes y sobretensiones en bornes del
circuito 2 de rectificación y conversión.
La misión de la citada impedancia 3 es la de
limitar las sobrecorrientes y sobretensiones en cualquier caso de
hueco de tensión, tanto si se produce una falta o disminución de la
red 8 eléctrica debido a un cortocircuito en una sola de las líneas,
lo que se conoce como un hueco monofásico, en dos de las líneas,
llamado hueco bifásico, o en el caso de producirse un cortocircuito
en las tres líneas, lo que es conocido como hueco trifásico.
En el estado de la técnica, como el ejemplo
representado en la Fig. 1, si aparece un hueco de tensión en la red
8 eléctrica la corriente que circula por el rotor sólo está
limitada por el convertidor y por la inductancia de fugas 10 del
generador, no representada, cuyo valor suele ser normalmente muy
bajo. Con objeto de reducir el valor de esta corriente, las
instalaciones de generación eléctrica de las Figs.4, 5a y 5b
incorporan un sistema de protección que comprende una impedancia 3
intercalada en serie entre el rotor y el convertidor. De este modo,
la corriente se verá limitada principalmente por esta nueva
impedancia 3 intercalada.
La impedancia 3 del sistema para la protección
según la invención, no debe confundirse con la inductancia de
filtrado 10 que convencionalmente se conecta en serie con el rotor
del generador 1, cuyo objetivo es el de ayudar al lazo de control
de corriente del convertidor del circuito 2 de rectificación y
conversión y disminuir las sobretensiones debidas a las
reflexiones. El valor de estas inductancias 10 es bajo, típicamente
de 100 \muH. Contrariamente, el valor de la impedancia 3 del
sistema según la invención es mucho mayor, del orden de mH, y su
presencia persigue un propósito muy distinto tal y como se ha
explicado anteriormente.
En una variante del método antes descrito,
representada en la Fig. 5a, la impedancia 3 en serie está
constituida por una inductancia 31 la cual está permanentemente
conectada entre el devanado del rotor 13 del generador y el circuito
2 de rectificación y conversión. El hecho de que la impedancia 3
esté constituida por una inductancia 31, ofrece la ventaja de que
ésta puede dejarse conectada en condiciones normales ya que su
presencia no afecta al generador 1. Debido a que la impedancia 3 en
serie está constituida por una inductancia 31, se podría incluso
prescindir de la pequeña inductancia de filtrado 10 necesaria para
atenuar los efectos de las reflexiones.
En la variante representada en la Fig. 5b, la
impedancia 3 en serie está comprendida por una resistencia 32 que
comprende además unos medios de cortocircuito 34 adaptados para
cortocircuitar dicha resistencia 32 en condiciones normales, y para
conectarla en caso de producirse un hueco de tensión en la red
8.
\newpage
En esta última variante, se hace necesario
disponer de los citados medios de cortocircuito 34, ya que la
conexión de la resistencia 32 en condiciones normales afectaría al
funcionamiento normal del generador 1. Este hecho se debe en parte a
la disipación de energía de la resistencia 32, en forma de calor,
que disminuiría el rendimiento del generador 1. Los mencionados
medios de cortocircuito 34 pueden estar constituidos, de un modo en
sí conocido, por un interruptor controlado 33 relé. En otras
variantes no representadas, el citado relé o interruptor controlado
33, que comprenden los medios de cortocircuito 34, puede estar
constituido por un relé o un interruptor electrónico del tipo
bipolar, IGBT, GTO o similar.
Por otro lado, tal y como se ilustra en la Fig.
4, el control del convertidor 21 del rotor incorpora habitualmente
un lazo de corriente que le permite imponer la corriente rotórica
deseada o corriente de consigna 4b, que se calcula para generar
unas potencias activas y reactivas deseadas. Esto se consigue
comparando ésta corriente de consigna 4b con la corriente real 4a y
haciendo que el convertidor 21 aplique la tensión V_{r} precisa
para anular su diferencia.
En una variante del método según la invención,
además de la adición de una impedancia 3 en serie y aprovechando
que el convertidor del rotor es susceptible de controlar la
corriente rotórica, se modifica el control del convertidor rotórico
de modo que en caso de producirse un hueco de tensión, éste impone
una nueva corriente de consigna 4b' que es el resultado de añadirle
a la corriente de consigna 4b un nuevo término, denominado
corriente desmagnetizante 4c, el cuál genera un flujo en el
devanado del rotor 13 opuesto al flujo libre, siendo el flujo libre
aquel que no está provocado por la componente directa de la tensión
del estator, reduciéndose por consiguiente la tensión en bornes del
convertidor 21. La citada corriente desmagnetizante 4c hace caer
toda o gran parte de la sobretensión en el conjunto formado por la
inductancia de fugas del rotor del generador 1, la inductancia de
filtrado 10 y la impedancia 3 en serie de modo que se consigue
reducir, en caso de huecos de tensión, la tensión que aparece en
bornes del convertidor 21 del circuito 2 de rectificación y
conversión. De acuerdo con esta variante, el valor de la impedancia
3 necesario para la protección del sistema puede reducirse
significativamente.
En una opción del método de la citada corriente
desmagnetizante 4c, que añadida a la corriente de referencia de
potencias, corriente de consigna 4b, determina el valor de la nueva
corriente de consigna 4b', es proporcional al valor del flujo libre
\psi_{sl}, del estator del generador 1. El valor de dicho flujo
libre \psi_{sl}, se estima como la diferencia entre el valor
del flujo magnético en el estator del generador \psi_{s} y el
valor del flujo del estator asociado a la componente directa de la
tensión del estator, denominado flujo forzado \psi_{sf}.
La Fig. 4 es una representación esquemática de
un sistema para llevar a cabo la variante del método anteriormente
descrito. Este sistema comprende una impedancia 3, conectable en
serie entre el devanado del rotor 13 del generador asíncrono 11 y
el convertidor 21 del citado circuito 2 de rectificación y
conversión, adaptada para limitar las sobrecorrientes y
sobretensiones en bornes del circuito 2 de rectificación y
conversión ante la presencia de un hueco de tensión en la red 8
eléctrica.
Además, el sistema está provisto de una unidad
de control 7 para el gobierno del convertidor 21 que impone una
corriente rotórica predeterminada denominada corriente de consigna
4b. Dicha unidad de control 7 comprende un módulo auxiliar 70 que
comprende diferentes unidades: una primera unidad 71 para la
estimación del valor del flujo del estator \psi_{s}; una segunda
unidad 72 para la estimación del valor del flujo del estator
asociado a la componente directa de la tensión del estator,
denominado flujo forzado \psi_{sf}, en caso de producirse, un
hueco de tensión en la red; una tercera unidad 73 que calcula la
diferencia entre los valores del flujo del estator \psi_{s} y
el flujo forzado \psi_{sf} previamente estimados; un cuarta
unidad 74, multiplicadora, que multiplica el valor de la diferencia
antes calculada por un factor K2 para la obtención de la corriente
desmagnetizante 4c; y una quinta unidad 75, para la suma del valor
de la corriente de consigna 4b y el valor de la corriente
desmagnetizante 4c previamente calculado.
Como se detalla en la Fig. 4, la tercera unidad
73 comprende un comparador 73b que es el encargado de elaborar la
diferencia entre los valores del flujo del estator \psi_{s} y el
flujo forzado \psi_{sf} estimado previamente en la primera y
segunda unidades 71 y 72, respectivamente. El resultado de esta
diferencia proporciona el valor del citado flujo libre
\psi_{sl} del estator del generador 1, que posteriormente se
multiplica por una constante K1 (Lm/Ls, donde Lm es la inductancia
mutua del generador 1 y Ls es la inductancia del estator del
generador 1) para obtener el valor del flujo libre \psi_{rl}
del rotor del generador. El valor obtenido se multiplica por una
constante K2 menor que 1 en la cuarta unidad 74, provista a tal
efecto de un multiplicador 74b. El valor que resulta es
proporcional al flujo libre pero con signo cambiado y determina el
valor de la corriente desmagnetizante 4c. Esta corriente
desmagnetizante 4c está constituida, en la variante anteriormente
descrita, por una corriente de 90° adelantada a la tensión inducida
por el citado flujo libre \psi_{sl}, del generador 1. Esta
sencilla implementación del sistema propuesto para la realización
del método según la invención optimiza la disminución de la tensión
vista por el convertidor en caso de tener únicamente
inductancias.
El valor del flujo magnético del estator del
generador, \psi_{s}, se puede determinar a partir de las
corrientes en el estator y en el rotor. En caso de hueco de tensión,
la fase del citado flujo forzado \psi_{sf} está retrasada 90°
respecto a la tensión y su módulo puede ser calculado utilizando la
siguiente expresión:
en la que i_{s} es la corriente
del estator; \omega_{s} es la frecuencia de la tensión de la
red; R_{s} es la resistencia estatórica; V_{s} es la tensión del
estator; y \psi_{sf} es el citado flujo
forzado.
En caso de huecos de tensión asimétricos
(monofásicos y bifásicos) la tensión de la red contiene una
componente inversa que hace aparecer en el estator del generador
asincrono 11 un flujo asociado a dicha componente. Para reducir la
tensión en bornes del convertidor 21 es necesario entonces que la
corriente desmagnetizante se oponga también a dicho flujo. En estas
circunstancias, la expresión presentada anteriormente para la
unidad 72 ya no es válida, ya que no tiene en cuenta la componente
inversa de la tensión de la red 8. Una opción posible es separar las
dos componentes, directa e inversa, que componen la tensión de la
red 8, utilizando técnicas de filtrado que son bien conocidas por
la literatura.
El valor del flujo libre \psi_{sl}, del
estator del generador 1 se estima como la diferencia entre el valor
del flujo del estator \psi_{s} y el valor del flujo forzado
\psi_{sf} estimado anteriormente. Dicho flujo libre
\psi_{sl} es el que existe en el generador 1 y no está provocado
por la componente directa de la tensión del estator. Multiplicando
el citado flujo libre \psi_{sl} del estator del generador 1 por
una constante K1 (Lm/Ls, donde Lm es la inductancia mutua del
generador 1 y Ls es la inductancia del estator del generador 1) se
obtiene el valor del flujo libre \psi_{rl} del rotor del
generador que es el que multiplicado a su vez por una constante K2
por la cuarta unidad 74 nos proporciona la corriente
desmagnetizante 4c.
La corriente desmagnetizante 4 induce un flujo
adicional en el rotor opuesto al citado flujo libre \psi_{sl},
con lo que se reduce la tensión inducida en bornes del convertidor
21. Introduciendo la suficiente cantidad de corriente
desmagnetizante 4c es posible evitar superar la tensión máxima
admisible del convertidor 21. Siendo así, el convertidor 21 queda
protegido, no siendo necesaria su desactivación y, por consiguiente,
la desconexión del generador 1 de la red 8 eléctrica.
Como ejemplo de aplicación se describe a
continuación el comportamiento de un generador 1 eólico de 1,5 MW
con generador asíncrono 11 de rotor bobinado durante los diferentes
tipos de huecos de tensión que puede haber en el caso de que se
utilice un crowbar 9 con resistencias variables, una de las técnicas
habituales en el estado de la técnica, y en el caso de que se
utilice una de las opciones propuestas en la invención. Dicho
generador 1 tiene las siguientes características:
En todos los casos que a continuación se
describen el convertidor del circuito 2 de rectificación y
conversión de dicha instalación de generación eléctrica trabaja con
una tensión de bus de continua de 1200 V.
En el caso de un hueco de tensión, cuando la
corriente del rotor o la tensión del bus CC superen un determinado
nivel (que en el caso del ejemplo es de 1.130 A ó 1.300 V
respectivamente), el crowbar 9 se activará cortocircuitando el rotor
mediante una resistencia variable en el tiempo.
En las Figs. 6a a 6g se representa la evolución
de las variables en caso de un hueco de tensión trifásico del 80%.
En la Fig. 6a, se representa el valor eficaz de la tensión de la
red, apreciándose la aparición del hueco de tensión en el instante
t=0,25 s. A continuación, en las Fig.6b, 6c y 6d se muestra la
evolución del valor eficaz de la corriente en el estator, en el
rotor y en el convertidor respectivamente. En el momento en el que
se produce el hueco de tensión, las tres corrientes comienzan a
crecer rápidamente. Cuando la corriente del rotor supera el valor
prefijado, la unidad de control 7 activa el crowbar 9 y la corriente
del rotor comienza entonces a circular por el crowbar 9.
Generalmente mientras el crowbar 9 está activo se desactiva el
convertidor y su corriente se anula, tal como se observa en la Fig.
6d, quedando de esta manera protegido el convertidor de las
sobrecorrientes de hasta 3.500 A que se dan en el rotor. En la Fig.
6e se puede apreciar el valor de la resistencia impuesta por el
crowbar 9. Convencionalmente, se suele hacer seguir al crowbar 9 un
perfil de resistencia pre-programado de una duración
en torno a unos 100 ms. Una vez pasado este tiempo, el crowbar 9 se
desactiva, deja de conducir, y la corriente del rotor vuelve a
circular entonces por el convertidor que se activa de nuevo. Por
otro lado, en las Fig. 6f se muestra la evolución de la tensión del
bus CC del convertidor y en la Fig. 6g se aprecia la evolución del
par del generador 1, donde se observa que en el momento en el que el
crowbar 9 se activa, se produce un pico en el par (golpe de par)
superior a 2,5 veces el par nominal del generador 1.
En las Figs. 7a a 7g, se representa la evolución
de distintas variables eléctricas en caso de un hueco de tensión
bifásico del 80% de profundidad. En este caso, además de aparecer
sobrecorrientes y golpes de par similares al caso anteriormente
descrito, en la Fig, 7g se puede apreciar claramente cómo a
diferencia del caso anterior, en el que el crowbar 9 se activaba
una sola vez, dicho crowbar 9 debe estar conectándose y
desconectándose sucesivamente durante todo el hueco de tensión para
proteger al convertidor del circuito 2 de rectificación y
conversión. Esto implica que el convertidor estará desactivado
durante todo el hueco de tensión perdiéndose el control del
generador 1. Este comportamiento, tal y como se describía en los
antecedentes de la presente invención, no es deseado para la
estabilidad de la red 8 eléctrica.
En este caso, el generador 1 es protegido por
una impedancia 3 conectada en serie que está constituida por un
inductancia 31, de 1 mH, y una resistencia 32, de 0,7 \Omega,
conectadas en cada una de las fases entre los devanados del rotor 13
del generador 1 y el convertidor del circuito 2 de rectificación y
conversión. Las inductancias 31 están permanentemente conectadas
mientras que las resistencias 32 son cortocircuitadas en
funcionamiento normal mediante un interruptor 33 y únicamente se
conectan cuando la corriente del rotor o la tensión del bus CC
supera un determinado nivel (1.400 A ó 1.300 V respectivamente).
Además, en caso de producirse un hueco de tensión, se hace circular
por el rotor una corriente desmagnetizante 4c para reducir el flujo
del generador 1 y, de esta forma, reducir la tensión que aparece en
bornes del convertidor 21 del circuito 2 de rectificación y
conversión.
En las Figs 8a a 8g, se muestra la evolución de
las distintas variables eléctricas del generador 1 en el caso de
producirse un hueco de tensión trifásico del 80%. En la Fig.8a, se
representa el valor eficaz de la tensión de la red 8 eléctrica. En
el instante t=0,25 s se produce el hueco de tensión trifásico que
hace caer la tensión a un 20% de su valor nominal. Las figuras Fig
8b y 8c muestran la evolución del valor eficaz de la corriente en el
estator y en el rotor (que en este caso es la misma que en el
convertidor), respectivamente. Al igual que en las figuras descritas
en el caso anterior, en el momento en el que aparece el hueco de
tensión las corrientes comienzan a crecer rápidamente. Cuando la
corriente del rotor supera el valor prefijado, la unidad de control
7 conecta las resistencias 32. Las inductancias 31, junto con las
resistencias 32 cuando éstas se conectan, son capaces de frenar el
crecimiento de las corrientes consiguiendo que la corriente del
rotor no supere los 1.400 A, valor que puede ser soportado por el
convertidor de forma transitoria. De este modo, el convertidor
sigue activo en todo momento.
En las Figs 8d y 8e se observa la tensión eficaz
en las inductancias 31 y las resistencias 32. Estas tensiones se
oponen al crecimiento de la corriente y ayudan al convertidor a
mantener el control de la misma. Como puede apreciarse en la Fig.
8e, la resistencia 32 únicamente permanece conectada durante los
primeros instantes del hueco de tensión.
La evolución de la tensión en el bus de CC del
convertidor se muestra en la Fig. 8f. En la Fig. 8g, se aprecia
cómo el pico en el par (golpe de par) que se da en los primeros
instantes del hueco de tensión es inferior, en este caso, a 1,25
veces el par nominal.
Las Figs. 9a a 9g, son similares a las figuras
anteriormente descritas salvo que corresponden a un hueco bifásico
con una profundidad del 80%. Puede apreciarse cómo la solución
basada en la invención, al contrario que en el caso de utilizar un
crowbar 9, funciona también con huecos bifásicos, manteniendo las
corrientes y las tensiones a valores que no suponen ningún peligro
para los distintos componentes del sistema.
Claims (13)
1. Método para la protección de una instalación
de generación eléctrica, de las que comprenden al menos un
generador (1) eléctrico tal como un generador eólico conectado a
una red (8) eléctrica, ante la presencia de huecos de tensión en
dicha red (8), comprendiendo el generador (1) eólico un generador
asíncrono (11) de doble alimentación formado por dos devanados, un
devanado en el rotor (13) y un devanado en el estator (12), de los
que el devanado del rotor (13) está conectado a un circuito (2) de
rectificación y conversión, en el que la corriente alterna generada
en el rotor del generador (1), previamente a su suministro a la
citada red (8), se convierte primero en corriente continua y se
invierte a continuación para obtener una forma sinusoidal con la
frecuencia de la red (8) eléctrica;
caracterizado porque la corriente
generada en el rotor del generador asíncrono (11) es obligada a
pasar, previamente a su paso por el circuito (2) de rectificación y
conversión, por una impedancia (3) conectada en serie con el rotor,
la cual está adaptada para limitar las sobrecorrientes y
sobretensiones en bornes del circuito (2) de rectificación y
conversión.
2. Método para la protección de una instalación
de generación eléctrica según la reivindicación 1,
caracterizado porque la impedancia (3) en serie está
constituida por una inductancia (31) permanentemente conectada al
rotor del generador (1), por lo que la corriente es obligada a
pasar por la citada inductancia (31) tanto en condiciones normales
como al producirse un hueco de tensión de la red (8) eléctrica.
3. Método para la protección de una instalación
de generación eléctrica según la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende además el paso de conectar en
paralelo, en caso de producirse un hueco de tensión, con el bus de
continua CC del convertidor y/o con el lado CA del rotor, unos
elementos de disipación de energía adaptados para la evacuación de
la energía magnética que se genera durante los primeros instantes
del hueco de tensión.
4. Método para la protección de una instalación
de generación eléctrica según la reivindicación 1,
caracterizado porque la impedancia (3) en serie es conectada
al rotor del generador (1) cuando se produce un hueco de tensión, en
tanto que es cortocircuitada en condiciones normales.
5. Método para la protección de una instalación
de generación eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque el circuito (2) de
rectificación y conversión comprendido por un convertidor (21), en
caso de producirse un hueco de tensión, impone una nueva corriente
de consigna (4b') que es el resultado de añadirle a la corriente de
consigna (4b) un nuevo término, denominado corriente desmagnetizante
(4c), el cual genera un flujo en el devanado del rotor (13) opuesto
al flujo libre, siendo el flujo libre aquel que no está provocado
por la componente directa de la tensión del estator, reduciéndose
por consiguiente la tensión en bornes del convertidor.
6. Método para la protección de una instalación
de generación eléctrica según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque la corriente
desmagnetizante (4c) es proporcional al valor del flujo libre
\psi_{sl}, del estator del generador (1), estimado como la
diferencia entre el valor del flujo magnético en el estator (12)
del generador \psi_{s} (71) y el valor del flujo del estator
asociado a la componente directa de la tensión del estator,
denominado flujo forzado \psi_{sf} (72).
7. Sistema para la realización del método según
la reivindicación 1, particularmente aplicable en una instalación de
generación eléctrica, de las que comprenden al menos un generador
(1) eólico conectado a una red (8) eléctrica, comprendiendo el
generador (1) eólico:
- un generador asíncrono (11) de doble
alimentación con dos devanados, uno en el rotor (13) y otro en el
estator (12), de los que el del rotor (13) está conectado a un
circuito (2) de rectificación y conversión, conectado a su vez a la
red (8) eléctrica,
caracterizado porque el sistema comprende
una impedancia (3) conectable en serie entre el devanado del rotor
(13) del generador asíncrono (11) y el citado circuito (2) de
rectificación y conversión, adaptada para limitar las
sobrecorrientes y sobretensiones en bornes del circuito (2) de
rectificación y conversión ante la presencia de un hueco de tensión
en la red (8).
8. Sistema según la reivindicación 7,
caracterizado porque la impedancia (3) en serie está
constituida por una inductancia (31) la cual está permanentemente
conectada entre el devanado del rotor (13) del generador y el
circuito (2) de rectificación y conversión.
9. Sistema según la reivindicación 7 o 8,
caracterizado porque comprende además unos elementos de
disipación de energía, conectables en paralelo en caso de
producirse un hueco de tensión, con el bus CC del convertidor y/o
con el lado CA del rotor.
10. Sistema según la reivindicación 7, 8 ó 9,
caracterizado porque la impedancia (3) en serie comprende una
resistencia (32) y unos medios de cortocircuito (34), adaptados
para cortocircuitar dicha resistencia (32) en condiciones normales y
para conectarla en caso de producirse un hueco de tensión en la red
(8).
11. Sistema según la reivindicación 10,
caracterizado porque los medios de cortocircuito (34)
comprenden un relé o un interruptor controlado (33).
12. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 7 a 11, caracterizado porque comprende un
convertidor (21) que, gobernado por una unidad de control (7),
impone una corriente rotórica predeterminada denominada corriente de
consigna (4b), y porque la unidad de control comprende un módulo
auxiliar (70) que incorpora
una primera unidad (71) para la estimación del
valor del flujo del estator (\psi_{s});
una segunda unidad (72) para la estimación del
flujo del estator asociado a la componente directa de la tensión
del estator, denominado flujo forzado (\psi_{sf}), en caso de
producirse un hueco de tensión en la red;
una tercera unidad (73), que calcula la
diferencia entre los valores del flujo del estator (\psi_{s}) y
del flujo forzado (\psi_{sf}) previamente estimados;
una cuarta unidad (74), multiplicadora, que
multiplica el valor de la diferencia antes calculada por un factor
K2 para la obtención de la corriente desmagnetizante (4c); y
una quinta unidad (75), para la suma del valor
de la corriente de consigna (4b) y del valor de la corriente
desmagnetizante (4c) previamente calculado.
13. Sistema según la reivindicación anterior,
caracterizado porque K2 es menor que 1.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| ES200503243A ES2298014B1 (es) | 2005-12-30 | 2005-12-30 | Metodo y sistema para la proteccion de una instalacion de generacion electrica conectada a una red electrica ante la presencia de huecos de tension en dicha red. |
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